1 Introdução. 1.1 Preliminares

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1 Desenvolvimento de um Sistema Aberto para Ensino de Robôs Manipuladores 15 1 Introdução 1.1 Preliminares O robô manipulador é um equipamento que se destaca por dois motivos: primeiro por suas características de movimentação e reprogramação, assemelhando-se ao braço humano e, portanto, teoricamente, através dos avanços tecnológicos, capaz de executar as mesmas tarefas do homem, estimulando o imaginário da criação de robôs humanóides que, em certo nível já tem se tornado uma realidade; segundo, por agregar várias áreas do conhecimento, da ciência e da engenharia, como mecânica, eletroeletrônica, computação, controle e as técnicas e metodologias aplicáveis, cuja união hoje denominamos mecatrônica. Os robôs manipuladores representam um grande avanço na automação industrial bem como em diversas aplicações nas quais são exigidas condições de trabalho ou desempenho sobre-humanas, como: precisão, repetibilidade, força, rapidez, operações perigosas e insalubres. As tecnologias, métodos, componentes e sub-sistemas utilizados nos robôs estão presentes nos sistemas de automação industrial em geral. Podemos dividir as partes que compõem um sistema automatizado em: sensor, atuador, controlador, interface e supervisão. Todos estes podem utilizar sinais digitais (discretos) ou sinais analógicos (contínuos). As formas de energia mais comuns empregadas são: pneumática (ar

2 Desenvolvimento de um Sistema Aberto para Ensino de Robôs Manipuladores 16 comprimido), hidráulica (óleo) e elétrica. Entre os atuadores podemos encontrar os elementos lineares ou prismáticos (conhecidos também por cilindros) e os rotativos ou rotacionais (conhecidos por motores). Entre os sensores podemos encontrar os mais variados conforme a grandeza física a ser medida e o tipo de tecnologia empregada. Os controladores atualmente utilizados são digitais empregando microprocessadores ou microcontroladores e possuindo uma ou mais entre diversas interfaces de comunicação. Os softwares podem ser desenvolvidos em sistemas operacionais baseados em UNIX, Solaris ou Windows, entre outros, a metodologia de programação pode ser estruturada, orientada a objeto ou dedicada, e implementada em diferentes plataformas e linguagens de programação. Os algoritmos de controle podem ser do tipo intertravamento, on-off, PID, avanço-atraso, linearizados por realimentação de estados, por modos deslizantes, adaptativos, não-lineares, fuzzy, redes neurais artificiais, entre muitos outros. A modelagem para simulação do sistema envolve diversas teorias matemáticas e físicas. Como se vê, uma ampla gama de tecnologias e conhecimentos estão envolvidos quando se trata de automação industrial. O robô manipulador reúne todas elas com vantagens de flexibilidade e espaço de trabalho sobre os demais atuadores. Possuem também uma maior complexidade em todos os aspectos. Portanto, o robô manipulador merece especial atenção e destaque como objeto de estudo e pesquisa nos institutos, faculdades e universidades. Em geral, nos cursos de formação profissional em mecatrônica ou automação industrial são ensinados/aprendidos inicialmente conteúdos de formação básica, comuns a todas as áreas; em seguida, os conteúdos de cada área são vistos separadamente, e depois os conhecimentos são agregados com o estudo e aplicação de tecnologias integradas como o robô industrial. Atualmente para atingir os objetivos educacionais são utilizados robôs industriais existentes no mercado de fabricantes como ABB, KUKA, Fanuc, Yaskawa, Staubli, Reis, Comau, Kawasaki. Todos possuem excelentes produtos, mas sua arquitetura e sistemas são fechados com o objetivo de proteger a propriedade intelectual. Para o caso de cursos de nível técnico, onde o profissional necessita somente conhecer o

3 Desenvolvimento de um Sistema Aberto para Ensino de Robôs Manipuladores 17 equipamento de modo a capacitá-lo a ser um usuário operador, programador e mantenedor do equipamento, isso normalmente não constitui um inconveniente. Mas, quando se trata de cursos de nível superior, necessitamos de ferramentas e equipamentos que forneçam maior aprofundamento, possibilitando a integração das tecnologias, a aplicação dos conhecimentos e o desenvolvimento e inovação tecnológica. Visando preencher essa lacuna, foi proposto o projeto FEROS, um sistema aberto para ensino de robôs manipuladores, que oferece uma arquitetura baseada em PC, com sistema de segurança e software em tempo real que permita ao aluno tanto experimentar soluções já existentes como criar as suas próprias alternativas, para uso em qualquer braço mecânico de até seis graus de liberdade. Por ser um projeto amplo que envolve diversas áreas de conhecimento, está sendo realizado por etapas e com auxílio de outras pessoas. O nome FEROS é uma sigla para Future Education Robot Open System que significa sistema aberto de robô para educação futura. Além disso, feros, em grego φεροσ, significa aquele que carrega ou movimenta uma carga, realizando um trabalho. 1.2 Objetivos O projeto FEROS envolve o desenvolvimento de um sistema aberto para ensino de robôs manipuladores. Devido à aplicação didática, a segurança é um fator essencial no projeto. O sistema deve permitir a utilização de diversos braços mecânicos, bastando para isso alterar as configurações do modelo no software. O sistema poderá executar tanto a simulação quanto o controle do braço real. Os algoritmos e parâmetros de controle, de trajetória e da simulação podem ser alterados pelo usuário através do software. Tanto hardware quanto software devem prever medidas de segurança. Este trabalho inclui: concepção da arquitetura de hardware, com sistema de segurança;

4 Desenvolvimento de um Sistema Aberto para Ensino de Robôs Manipuladores 18 projeto da placa de interface entre o PC e o robô; concepção da arquitetura de software, com sistema de segurança e tempo real; desenvolvimento de software, contemplando: o configuração, por parte do usuário, de um braço mecânico comercial com seus motores, drive e transmissão através da inserção de parâmetros dos modelos matemáticos; o configuração, por parte do usuário, de um tipo de controlador 1 dentre vários desenvolvidos e encontrados na literatura, bem como a escolha do tempo de amostragem; o simulação ponto-a-ponto, com ou sem geração de trajetória, na qual o usuário, ao escolher o ponto inicial e o ponto final, verifica através de gráficos o desempenho do controlador para o modelo de manipulador configurado; Ao final do trabalho serão realizadas análises através da simulação de alguns modelos de manipuladores, aplicando-se diferentes tipos de controladores, demonstrando o desempenho e flexibilidade do sistema. Um braço mecânico foi projetado e construído para realização de testes. Após a conclusão do sistema, espera-se obter uma poderosa ferramenta didática que possibilite ao aluno: Ter contato com as tecnologias mecânica, elétrica, eletrônica e software, envolvidos na robótica; Verificar dimensionamento de motores, redutores e braços mecânicos através de simulação; Testar diferentes algoritmos de controle e alterar parâmetros, verificando desempenho simulado e real; Testar diferentes geradores de trajetória e verificar seu desempenho; Analisar o desempenho do robô para diferentes cargas; 1 Por enquanto, somente serão implementados controladores de posição, mas futuramente serão acrescentados controladores de torque e de impedância.

5 Desenvolvimento de um Sistema Aberto para Ensino de Robôs Manipuladores Justificativa A necessidade do projeto FEROS se deve principalmente aos seguintes fatores: Carência de mão-de-obra especializada devido ao crescimento da automação e do número de manipuladores industriais; Carência de robôs didáticos (e nacionais) no mercado (os robôs comerciais são uma caixa preta para o usuário); Informações sobre as tecnologias envolvidas nos robôs manipuladores espalhadas na literatura, principalmente as pesquisas recentes Crescimento da Automação Industrial e Manipuladores e Carência de Mão-de-Obra Especializada Em 1960, o primeiro robô manipulador industrial, o Unimation, da empresa de mesmo nome, foi vendido para a General Motors. Em 1969, Victor Scheinman, na Universidade de Stanford, desenvolveu o primeiro braço acadêmico com seis eixos movidos por motores elétricos ( Stanford-arm ) e depois desenvolveu um braço para o MIT ( MITarm ). Após firmar parceira com a Unimation, em 1975, desenvolveu o modelo que substituiria o anterior da General Electric, tornando-se bastante famoso principalmente no meio acadêmico, o PUMA ( Programmable Universal Machine for Assembly ). Em 1973, empresa KUKA Robotics já havia desenvolvido o primeiro robô comercial com seis eixos comandados por motores elétricos, o FAMULUS. Desde então, com o crescimento de automação dos processos industriais, a gradativa redução de custos, a constante quebra de paradigmas e o crescimento econômico mundial, os robôs manipuladores tem sido utilizados em diversas aplicações na indústria e no espaço em tarefas repetitivas, insalubres, perigosas ou que exigem precisão, como por exemplo: soldagem, pintura, manipulação, montagem, paletização entre outros. Em início de 2007, segundo a IFR ( International Federation of Robotics ) já eram robôs instalados em todo o mundo, com estoque operacional de robôs, dos quais uma grande parte está no Japão e na Coréia. Para se ter uma comparação,

6 Desenvolvimento de um Sistema Aberto para Ensino de Robôs Manipuladores 20 em 2002 eram robôs instalados e em estoque operacional (IFR, 2007). Já na metade de 2007, foi verificado um aumento na demanda por automação, incluindo robôs, como nunca antes, superando as expectativas mais otimistas. Devido ao aumento da população de robôs manipuladores na indústria, surgiu a necessidade de se estabelecer padrões técnicos. Dez normas internacionais relativas a robôs industriais já foram reconhecidas, conforme tabela 1.1. Norma Ano Descrição ISO /1996 Vocabulário para robôs manipuladores ISO Critérios de desempenho e métodos de testes relacionados ISO /2004 Interfaces mecânicas do manipulador ISO Sistemas de coordenadas e nomenclaturas de movimento ISO Apresentação das características ISO /1994/2006 Critérios de segurança ISO Vocabulário e características de sistemas de troca rápida de ferramenta ISO Guia informativo sobre métodos e equipamentos para avaliação de desempenho ISO Manipulação de objetos com garra: vocabulário e características ISO Interface gráfica de usuário para programação e operação de robôs (GUI-R). Tabela 1.1- Relação de Normas ISO O constante crescimento da utilização de robôs nas aplicações industriais e aeroespaciais requer estudos de pesquisa e pessoas tecnicamente qualificadas para projeto, operação, manutenção, aperfeiçoamento e melhorias. A carência de mão-deobra especializada é demonstrada pelos dados do SENAI do estado de São Paulo, onde 100% dos alunos egressos do curso superior de tecnologia em automação industrial estão empregados após um ano de conclusão, com a oferta de empregos sendo maior do que o número de formandos (SENAI-SP, 2008) Carência de Robôs Didáticos Atualmente as escolas, faculdades, universidades e centros tecnológicos utilizam, via de regra, manipuladores industriais comerciais no ensino de robótica. O aspecto

7 Desenvolvimento de um Sistema Aberto para Ensino de Robôs Manipuladores 21 interessante dessa abordagem é o contato do aluno com um produto com o qual poderá se deparar na indústria; a desvantagem é a falta de flexibilidade para se aprofundar na tecnologia do equipamento. Existem diversos fabricantes de robôs industriais, dentre os quais podemos destacar: KUKA, ABB, FANUC, Yaskawa, Mitsubishi, Reis, Kawasaki, Comau, Staubli. Todos eles seguem as normas e padrões internacionais de desempenho, interfaces e segurança; cada fabricante, porém, escolhe a arquitetura e as tecnologias mais adequadas ao seu interesse proporcionando recursos, desempenho, custo e qualidade que satisfaçam seus clientes. Ao nos aprofundarmos nas tecnologias de cada fabricante podemos notar diferenças na estrutura mecânica, nas transmissões, no hardware, no software, na programação, nos motores, nos sensores, no controlador, entre outras partes. Na visão do usuário, no entanto, todo o sistema é uma caixa preta, pois não existe documentação mais detalhada e os equipamentos são específicos para o robô, geralmente não possuindo similar no mercado. O sistema caixa preta, fechado, favorece o fabricante, protegendo a propriedade intelectual e forçando o usuário a uma dependência maior para manutenção, compra de peças, programação, aperfeiçoamentos, melhorias e treinamento. Para o estudo e pesquisa, porém, perde-se o aspecto didático das tecnologias envolvidas. A compreensão das características do robô e de seus sistemas e subsistemas são imprescindíveis para domínio e disseminação das tecnologias tanto em robótica em si, quanto em outras áreas afins. Não existem robôs no mercado que satisfaçam as necessidades didático-pedagógicas e de pesquisa. Além disso, deve-se notar a falta de fabricantes nacionais Diversidade de Informações Muitas informações relacionadas a robôs manipuladores são encontradas na literatura. As principais referências utilizadas para este trabalho são (CRAIG,1989), (SPONG, VIDYASAGAR; 1999) e (CORKE, 1996), mas diversas fontes de informações sobre modelagem, controle e simulação de manipuladores, bem como, das tecnologias envolvidas, como teorias de controle, servomotores, transmissões e reduções, estrutura

8 Desenvolvimento de um Sistema Aberto para Ensino de Robôs Manipuladores 22 mecânica, hardware, sistemas de tempo real, entre outras encontram-se bem dispersas. Além disso, muitos avanços têm sido realizados e que podem e devem ser incorporados de forma mais dinâmica ao ensino, como por exemplo: estruturas ultraleves e modulares, motores e transmissões específicas de alto desempenho, relação de peso/carga próxima de 50%, controles otimizados, rapidez na modelagem e extração de parâmetros, controles por impedância e admitância, permitindo interação com o ambiente, inclusive com humanos. 1.4 Metodologia Inicialmente foi verificado na literatura trabalhos que possam se assemelhar à idéia aqui proposta. Em 1985 foi desenvolvida uma tese a partir do projeto denominado LIDER Laboratório Integrado para Desenvolvimento e Ensino de Robótica (AMARAL, 1985). Este trabalho é interessante por suas idéias e pioneirismo, mas a tecnologia empregada já é bastante obsoleta, principalmente o controlador; além disso, o sistema não oferece flexibilidade nem a profundidade esperada para o software. Outro aspecto é que as teorias de controle e simulação evoluíram bastante desde então. Antes de iniciar o desenvolvimento do projeto foi realizada uma pesquisa para aprofundamento tecnológico de alguns manipuladores industriais existentes no mercado. Foram examinados os modelos RV-2AJ da Mitsubishi, IRB140 da ABB, Scorbot V da Eshed, Puma 560 da Unimation, LR Mate 200 da FANUC. Em seguida foram examinados trabalhos acadêmicos publicados que mostraram alguma aplicação prática com robôs. Foram examinados o retrofitting do modelo IRB6 da ABB realizado na UFRGS, Brasil (LAGES,HENRIQUES,BRANCARENSE; 2004); o modelo WAM-10 da Waseda University, Japão (MORITA, SUGANO;1997); o modelo ITA-IEMP do ITA, Brasil (GOES, ADADE; 2000); os modelos LWR I,II e III do DLR, Alemanha (HINZINGUER et al, 1999), (HINZINGUER et al, 2004); entre outros (SOBH, ABUZNEID, MIHALI; 2001). Com posse dessas informações, foi possível verificar a ampla gama de arquiteturas e tecnologias existentes e escolher uma que possibilite flexibilidade para adaptação de diferentes braços mecânicos e facilidade de interação com o usuário para configuração.

9 Desenvolvimento de um Sistema Aberto para Ensino de Robôs Manipuladores 23 Em seguida foram estudadas, na literatura acadêmica, artigos e livros voltados aos aspectos teóricos de modelagem, controle e simulação de manipuladores para verificar a amplitude de informações e a possibilidade de implementação dentro do sistema FEROS (CRAIG, 1989), (SPONG, VIDYASAGAR;1999), (MATSUOKA; 2001), (HENRIQUES, 1996), (GOES, ADADE; 2000), (AMARAL, PIERI, GUENTHER; 2000), (BOUKHETALA et al; 2003), (TERRA, MACIEL, NAKASHIMA; 2000). Foram estudadas também as tecnologias atuais de motores, drivers, transmissão e estrutura mecânica através de catálogos. Foram observados os parâmetros e grandezas físicas de modo a ajustar os limites práticos à teoria, na configuração e modelagem do robô através do software (SUN, MILLS; 2000), (HU, DAWSON, QIAN; 1996), (LIN, 1997). A arquitetura escolhida para o hardware foi uma plataforma PC comum com uma placa de interfaceamento para comunicação com os drivers dos motores. Como sistema operacional foi escolhido o QNX Neutrino 6.3, devido aos seus recursos de tempo real que proporcionam maior disponibilidade e segurança. O software foi desenvolvido em linguagem C com auxílio da ferramenta Photon Application Builder para construção da interface em ambiente gráfico. Para realizar testes e análises foram utilizados os parâmetros do robô PUMA560 e do Stanford-Arm obtidos na literatura (PAUL, 1981), (PAUL,1973). Finalmente, os algoritmos do software de controle e simulação foram validados comparando com os resultados obtidos do toolbox de robótica no Matlab 7 (CORKE, 1996). O texto deste trabalho é formado pela introdução exposta neste capítulo; a seguir, no capítulo 2, a arquitetura aberta é explicada de modo geral, com a revisão das tecnologias utilizadas em robôs manipuladores; os capítulos 3 e 4 detalham o hardware e software do sistema FEROS, incluindo as partes de modelagem, detalhada no capítulo 5, de controle, no capítulo 6 e de simulação, no capítulo 7. Um protótipo de braço mecânico é detalhado no capítulo 8 e então são realizadas análises do sistema, demonstrando possibilidades do uso para educação e pesquisa no capítulo 9. Os apêndices contêm os detalhes do projeto, como desenhos mecânicos, esquemas elétricos e eletrônicos, e funções (rotinas) e variáveis utilizados no software.